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关于对桥梁健康状态进行动态监测的建议

关于对桥梁健康状态进行动态监测的建议

辽河油田勘探开发研究院   鲁 港   高级工程师

盘锦市辖区内有大小跨河桥梁10余座,这些桥梁对盘锦市的经济发展、居民出行起着至关重要的作用。但是目前有些桥梁已经接近使用年限,年老失修;由于货运车辆超载现象比较严重,客观上也缩短了一些桥梁的使用寿命;由于施工质量等人为因素,一些桥梁达不到设计要求的使用年限;加之桥梁安全监测的技术手段落后,辖区内的桥梁安全状况令人非常担忧。如果不及时采取先进的技术监测手段和健全的科学管理措施对桥梁安全状态进行监控,一旦出现桥梁垮塌事故,不仅人民群众的生命和财产将会造成巨大的损失,而且人民政府的声誉和信誉将会遭到极大的损害,产生及其恶劣的负面社会影响。

一、桥梁安全问题现状

桥梁安全问题不仅是盘锦市特有的问题,而且也是全国性的问题,据不完全统计,从1998年至2012年的10多年中,全国共发生桥梁垮塌事故60多起(参见表1),这些事故给人民群众的生命、财产造成了巨大的损失,产生了非常严重的负面社会影响。特别是2004610突然垮塌的盘锦市田庄台大桥,更是发生在我们身边的惨痛事故,血的教训应该引起政府相关部门的高度警惕。


1  全国桥梁垮塌事故部分统计表(1998-2012)

    地点

日期

    地点

日期

哈尔滨市阳明滩大桥(引桥)

2012.08.24

广东省佛山九江大桥

2007.06.13

辽宁省抚顺市月牙岛西桥

2012.06.20

常州运河大桥

2007.05.13

重庆市巴南区鱼洞滨江大桥

2012.05.21

江西省修水大桥

2007.03.23

湖南平江县永固桥

2012.05.13

宁波奉化方桥

2007.05.23

陕西省商洛市南秦河2号桥

2012.04.23

北京顺义减河悬索桥

2006.12.09

山东省滨州市博兴县齐家桥

2012.04.15

316国道白河县境内冷水河大桥

2006.11.25

湖南省娄底三大桥

2012.03.12

厦门同安湾大桥

2006.08.29

连霍高速河南新安段上跨天桥

2011.09.21

辽宁省营口熊岳大桥

2006.08.01

海南省万宁东奥镇太阳河大桥

2011.08.08

京广线武江大桥

2006.07.14

北京市怀柔宝山桥

2011.07.29

泰州兴化市林湖乡湖东大桥

2006.05.29

浙江省杭州市钱江三桥(辅桥)

2011.07.15

甘肃省岷县洮河大桥

2006.05.16

福建省武夷山公馆大桥

2011.07.14

湖南省涟源白马镇溢洪大桥

2006.04.20

江苏省滨海县通榆河大桥

2011.07.11

兴化市昌荣镇姚庄大桥

2006.02.22

韶赣高速与京港澳高速互通高架桥

2011.05.26

贵阳至开阳公路在建小尖山大桥

2005.12.14

南京城市快速内环公路西线立交桥

2010.11.26

贵州遵义市务川县在建珍珠大桥

2005.11.05

四川省广汉石亭江铁路大桥

2010.08.20

苏州京杭大运河亭子桥

2004.09.01

四川省崇州市怀远镇场镇老定江桥

2010.08.19

浙江省杭州余杭区伍杭镇运河桥

2004.08.14

宝成铁路石亭江铁路大桥

2010.08.19

江苏省徐州市弘济桥

2004.06.28

宝成线广汉段桥

2010.08.19

辽宁省盘锦市田庄台大桥

2004.06.10

河南省栾川汤营伊河大桥

2010.07.26

湖州菱善航道千金镇西大桥

2004.05.12

吉林省锦江大桥

2010.06.08

广东省珠江大桥

2003.04.21

重庆彭水段红泥桥

2010.05.26

河南省内乡县在修万沟大桥

2002.08.16

广东省阳山县青莲公路桥

2009.08.08

西安陇海铁路灞河铁路大桥

2002.06.09

黑龙江省伊春市铁力市西大桥

2009.06.29

四川省宜宾南门长江大桥

2001.11.07

湖南省株洲市红旗路高架桥

2009.05.18

广西省合浦县文尉坊大桥西引桥

2001.06.23

甬台温铁路浙江黄岩金寺堂特大桥

2008.08.21

福建省漳州大桥

2000.04.12

湖南省凤凰县的堤溪沱江大桥

2007.08.13

重庆綦江彩虹桥

1999.01.04

辽宁省抚顺新宾县南杂木大桥

2007.08.13

辽宁省沈大高速公路青洋河大桥

1998.10.25

江苏省蔡渡大桥

2007.07.13

 

 

引发桥梁垮塌事故的原因有很多,归纳起来主要包括以下几个方面。

1、超负荷问题严重

随着国民经济的迅速增长,公路年平均日交通量剧增,桥梁老化、破损现象日趋严重。另一方面,超重车、集装箱车、大吨位车的出现加重了桥梁的负荷,致使许多公路、桥梁刚刚投入使用不久,就出现裂缝、桥面板断裂等现象,加速了桥梁的损坏。特别是一些原设计荷载标准采用低标准设计的桥梁,难以适应重载车辆日益增多的需要,甚至出现超载车辆压垮桥梁的现象。

2、设计错误和缺陷

人们对自然规律的认知受生产力水平、自身能力的制约,使得桥梁设计理论和设计规范完善和更新缓慢甚至严重滞后。有些桥梁设计上不是很合理,结构构造处理不是很完善,桥梁在早期运营时其缺陷并不明显,运营一定时间后,病害逐渐显现出来。另外,设计时由于缺乏法治观念和科学管理与风险投资意识,使桥梁寿命周期设计与养护管理的脱节;设计时没有认真考虑不可预见的飓风、地震、洪水等自然灾害,使桥梁的安全存在重大的隐患。

3、施工措施不力

有些桥梁由于受施工质量、施工技术、施工手段等影响,存在一定的技术缺陷,随着运营时间的增加,其危害也逐渐在发展。施工措施不力或工艺程序不当,也包括偷工减料、制造工艺不当及落后、新材料的使用寿命预期不当以及有建筑质量隐患等。

4、日常养护不细致

由于受传统养护观念的影响较深,各级养护部门特别是一线养护部门对于桥梁养护还引不起足够重视。不能做到抓早抓小,防微杜渐,诸如引道路面与桥衔接处不够平整,导致桥头跳车,桥栏杆损坏,伸缩缝填塞损坏,桥面保洁问题,泄水孔堵塞问题以及由于施工和交付使用出现的变位、沉陷空洞、裂缝等毛病,在日常养护中得不到及时修补。造成混凝土剥落、钢筋外露锈蚀,活动支座失去活动能力等等病害,不仅降低交通安全舒适水平,而且其发展直接影响到桥梁的服务水平和使用寿命。

5、养护人员素质较低

桥梁是一种专业性、技术性较复杂的建筑物,由于目前公路养护管理单位在桥梁养护方面大多缺乏专门的技术人员和技术工人,特别是基层养护单位,即使有附带管理的人员,其桥梁养护管理方面的知识、专业技术也是比较缺乏的。

6、桥梁安全监测手段落后

根据了解,盘锦市对桥梁安全的检测措施仅限于巡查,大约每隔3个月左右时间对桥梁进行(人工)检查。这种工作方式非常落后,仅凭肉眼观察无法判断出桥梁构件内部疲劳损伤状况。桥梁在运营过程中超载、震动、温度等因素的影响及桥梁自身的变形,从而在使用过程中最不利荷载对桥梁产生的效应,采用人工定时检测手段是无法测出的。

二、桥梁健康监测技术

桥梁结构在长期使用的过程中,不可避免的会出现结构构件老化,并且还可能遭受各种自然或人为灾害的破坏,造成结构承载力降低,甚至失效;而且,对于大型桥梁而言,由于其使用功能的重要性,从它建成开始就应该对其是否能正常工作进行相关监测。目前国内外许多桥梁都存在不同程度的安全隐患。在国内,由于质量控制滞后于桥梁的建设速度,致使桥梁倒塌事故逐年增加。因而,桥梁结构的安全状况一直是政府有关部门和公众特别关心的热点问题。

如果能在灾难来临之前进行预测,对桥梁的疲劳损伤进行监测,从而对桥梁的健康状况给出评估,那就会大大减少这些惨剧的发生。桥梁健康监测及诊断技术的研究与应用正是在此基础上应运而生的。

1、旧式监测技术的缺点

目前国内对桥梁检测都是在设计、施工完成交付使用前,或者发现桥梁结构出现特殊情况(如结构开裂、变形过大、重载或超重车辆反复过桥、环境恶劣影响等)的时候,方对桥梁进行检测评估,采用的方法一般以人工方法为主,即在梁体的受力及变形关键部位上,外贴应变片或安装变形仪。通过实测特征值与理论计算结果对比,确定桥梁强度和刚度安全储备系数,并评估桥梁现有的承载能力。这种方法局限性较大,不仅需要专门训练的有资格能力的工程师,而且所取得的检测结果仍然不能满足桥梁所有的安全需要,而且还浪费了大量的人力和物力。

桥梁在使用过程中,荷载的变化、环境等因素随机性非常大,而且也非常复杂,所以最不利荷载的影响,并不一定与人工检测的定位定点相吻合;由于施工质量、安装等因素的影响,与原始设计参数势必存在着一定的误差;另外桥梁在运营过程中超载、震动、温度等因素的影响及桥梁自身的变形,从而在使用过程中最不利荷载对桥梁产生的效应,采用人工定时检测手段是无法测出的,也不能用简单几组检测数据建立一个由最不利荷载引起桥梁出现极大值的数学模型,分析桥梁设计、施工的整体质量和桥梁运营中的承载能力,这种桥梁状态评估方法显然具有相当程度的简单化。

2、应用情况

随着光纤技术、无线传输技术的日渐成熟,桥梁健康监测技术已经从研发阶段走向应用阶段。目前,国内一些大中城市如香港、上海、杭州、南京、武汉、重庆等在一些跨江(/)大桥上使用了桥梁健康监测系统(见表2),对保证人民群众生命和财产安全起到了重要的作用。

2  应用桥梁健康监测技术的部分桥梁统计表

桥梁名称

结构类型

跨度(m)

桥梁名称

结构类型

跨度(m)

香港昂船洲桥

斜拉桥

1018

重庆菜园坝大桥

钢箱系杆拱

102+420+88

香港西部通道

斜拉桥

210

钱江四桥

钢管拱桥

2 190+7 89

香港汀九桥

斜拉桥

127+448+475+127

卢浦桥

全钢拱桥

550

香港汲水门桥

斜拉桥

160+430+160

南宁桥

蝴蝶拱桥

300

香港青马桥

悬索桥

455+1375+300

石板坡桥

连续刚构

330

南京二桥

斜拉桥

628

江阴桥

悬索桥

1388

徐浦大桥

斜拉桥

590

虎门桥

悬索桥

888

大佛寺桥

斜拉桥

198+450+198

阳逻桥

悬索桥

1280

南京三桥

斜拉桥

257+648+257

润扬桥

斜拉桥/悬索桥

406/1490

杭州湾跨海桥

斜拉桥

448

清河桥

斜拉桥

108+66+36

芜湖桥

斜拉桥

180+312+180

 

 

 

3、主要功能

桥梁监测系统是一个复杂的、庞大的、综合的技术性系统,它包括桥梁关键部位的关键参量测量、测试数据的现场采集、指令与数据的远程传输、数据储存与处理、结构安全状态的评价与预警等。通过其在桥梁运营中所获得的结构及环境信息,不仅为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导,还为桥梁的理论研究与试验、提供最真实的信息,获得的桥梁结构全面的静、动力特性,加深对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的研究。桥梁监测技术的发展,不仅对桥梁建设、管理具有现实意义,更将可能对桥梁研究与设计、特别是将来实现桥梁“虚拟设计”具有重要的意义。

从目前已建立的监测系统的系统构成、监测方法以及实现的功能来看,这些桥梁监测系统具有以下一些共同特点:

(1)桥梁监测系统由硬件系统与软件系统组成,硬件系统一般由传感器系统、数据采集及传输系统、数据分析与处理系统构成,软件系统主要实现对结构状态的识别和安全性评估;

(2)通过布设在桥梁上的传感器获取反映桥梁结构行为的记录,并且重视对桥梁环境条件如温度、风、交通荷载等的监测;

(3)由于测试技术和通讯技术的发展,使得监测系统采集的信息更加准确与完备,并且可以实现系统的大容量和网络化共享。

4、技术特点

桥梁健康监测是对桥梁安全情况进行实时监测的新技术,这种技术通过对桥梁结构进行无损检测,实时监控结构的整体行为,对结构的损伤位置和程度进行诊断,对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

一般大型桥梁健康监测系统对以下几方面进行监控:

(1)桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态。

(2)桥梁结构在突发事件(如地震、意外大风或其它严重事故等)之后的损伤情况。

(3)桥梁结构构件的耐久性,主要是提供构件疲劳状况的真实情况。

(4)桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如斜拉桥振动控制装置)的工作状态。

(5)大桥所处的环境条件,如风速、温度、地面运动等。

5、系统结构

桥梁健康监测系统一般由数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统、报警系统、数据共享系统等几部分组成,参见图1

1  桥梁健康监测系统的结构示意图

数据采集、传输、分析都是实时进行的,分析系统一旦监测到参数超过阈值时,将根据参数类型进行报警,可以预防灾难的发生。

6、国内技术现状

根据调研,重庆理工大学胡顺仁教授领导的科研攻关团队,在“桥梁结构健康监测系统研究”领域进行了大量的开创性研究工作,先后完成了重庆渝长高速公路红槽房公路桥、重庆大佛寺长江大桥、重庆向家坡立交桥、重庆马桑溪长江大桥等不同类型的多座特大桥的结构健康监测系统研究,建成了国内首座“桥梁安全远程集群监测系统”,在大型结构健康监测研究领域奠定了坚实的理论与技术基础。

清华大学、同济大学等国内高校也有类似的研究团队。

三、建议

将影响桥梁安全的几大因素列表进行分析(见表3),可知,在大桥建成之后,设计和施工因素已经无法更改;虽然可以通过加大对超载车辆查处力度等措施在一定程度上减轻对桥梁的损伤,但是无法准确判断桥梁的安全状态;只有采用先进的桥梁健康监测技术,才是保障桥梁安全的唯一可行的技术手段,是减少人为因素对桥梁安全状态错判的可行方案。

基于以上认识,提出几点建议供政府领导及相关部门参考。

3  桥梁安全影响因素分析表

影响因素

阶段

分析结论

设计错误和缺陷

设计

桥梁建成后无法改进

施工措施不力

施工

桥梁建成后无法改进

超负荷问题严重

运营

可以通过管理手段加以改善

日常养护不细致

养护

对桥梁安全不起决定性作用

养护人员素质较低

养护

对桥梁安全不起决定性作用

桥梁安全监测手段落后

养护

对桥梁安全不起决定性作用

桥梁健康监测技术

养护

是保证桥梁安全的主要因素

1、桥梁安全问题应引起足够的重视

桥梁安全问题是关系到千家万户的大事,但是从近十年来的政府工作重心、民生工程建设、财政预算、人大议案和政协提案等信息来源来看,桥梁安全问题显然没有得到政府的足够重视,这是一个安全隐患,一旦再次发生大桥垮塌事故,后果不堪设想。

田庄台大桥垮塌事件发生之后,虽然官方将其认定为“意外事故”,但是货车严重超载、管理制度不健全、监测技术手段落后等也是不可忽视的客观原因,然而这些问题在随后数年中并没有认真地加以解决。

建议政府主要(主管)领导充分认识到解决桥梁安全问题的重要性和急迫性,组织交通、安全、桥梁、河务、财政等部门技术专家对市辖桥梁的安全现状进行进一步深入细致的调查研究,建立、健全、完善有关的管理规章制度,对在市辖主要桥梁上应用桥梁健康监测系统的技术可行性、经济可行性进行研究,拿出详细的分析结论。

2、以盘锦大桥为桥梁健康监测技术的应用试点

初步分析认为,桥梁健康监测技术是保障桥梁安全、预防灾难发生的一种高新科技成果,在技术上、经济上都是可行的,可以在盘锦市管辖的大小桥梁上推广使用。但是由于是一项新技术,建议先进行试点应用,以此积累技术和管理经验。试用成功后,根据桥梁安全状况等级、资金等情况推广应用。

双兴北路上横跨辽河的盘锦大桥(参见图2)是连接兴隆台区与双台子区的重要交通枢纽,车流量较大,主要以中小型客车/私家车为主,如何保证盘锦大桥的安全对保障人民群众生命和财产安全起着非常重要的作用。建议优选一套国内比较成型的桥梁健康监测系统,在盘锦大桥上进行试点应用。

2  盘锦大桥地理位置图

3、建成盘锦市桥梁安全监测管理中心

对于市辖桥梁,按照桥梁安全状况等级、客流量、设计/实际载荷等因素,逐年、分批安装建设桥梁健康监控系统。可从辽河防汛费、公路养护费、城建资金、财政等多渠道筹集建设资金。

对于省属和国属桥梁,如高速公路、高速铁路等桥梁,可以向省级、国家相关部门建议建设桥梁健康监控系统。

510年的时间之内,实现桥梁健康监控系统在盘锦市管辖区域内主要桥梁全覆盖,建立一个盘锦市桥梁安全监测管理中心(可作为某某局下属机构),负责所有桥梁监测系统的硬件维护、数据管理、信息分析、警报处理等工作。

4、加强对超载货车的检查和处罚力度

技术不是万能的,桥梁健康监测系统只能记录、监测桥梁的实时健康状态,但是无法避免损害桥梁安全行为的发生,特别是货车超载行为。加强对超载货车的检查力度,是减少桥梁损坏、延长桥梁使用寿命的关键环节。要杜绝罚款后放行的现象,严格禁止超载货车上桥。

桥梁健康监测系统可以通过数据分析出桥梁负载超限的时间、地点、规律,为交警、路政部门执法提供时间、地点等详细信息。

我们相信,在市政府的高度重视和大力推动下,经过相关部门的共同努力,盘锦市的桥梁安全问题一定能够逐步得到圆满的解决,人民群众的生命财产安全得到极大的保障,人民政府“以人为本”的服务理念得到全市人民的赞扬。

盘锦,成为安全指数全省最高的城市,指日可待!

 

 


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